基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法

摘要

本发明涉及纸芯片传感领域，尤其涉及一种基于CdTe‑ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法。基于CdTe‑ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法，包括步骤：(1)CdTe量子点的合成；(2)ZnCdSe的量子点的合成；(3)CdTe‑ZnCdSe双量子点纸芯片基底的制备；(4)四‑(4‑吡啶基)锌卟啉自组装溶液的合成；(5)制作有机磷农药标准比色卡；(6)检测试样的有机磷农药浓度；本发明具有制备简单、可快速现场检测、成本低、响应速度快、灵敏度和选择性高的特点，而且与单量子相比，双量子点溶液混合后的荧光颜色受到猝灭剂影响后更容易在纸芯片上产生颜色区分，提高检测的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及纸芯片传感领域，尤其涉及一种基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法。

背景技术

有机磷农药是我国最常见的农药之一，残留在农作物和果蔬上的有机磷农药在进入人体内后，会导致乙酰胆碱过量而产生神经紊乱等病症，甚至会对肌体造成不可挽回的损伤。随着有机磷类农药在我国农作物以及果蔬培育方面的广泛应用，开发一种新型快速、简便且高灵敏的有机磷农药微量残留检测方法显得尤为迫切。

有机磷类农药的检测手段从最初的生物测定到色谱技术中的气质联用法(GC-MS)、气相色谱法(GC)、毛细管电泳法、液质联用(HPLC-MS)、高效液相色谱法(HPLC)以及现在比较常用的化学传感器法和免疫分析技术，都不同程度上存在一些缺点而不能得到广泛应用。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的是提供一种基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法，不仅能快速、高灵敏度地检测有机磷农药，而且能够实现免仪器现场即时检测。

为实现上述目的，本发明所设计的CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底，其特征在于，包括纸基材以及固定在纸基材上的CdTe-ZnCdSe双量子点，所述CdTe-ZnCdSe双量子点由CdTe量子点和ZnCdSe量子点混合制备而成。

作为优选方案，所述CdTe量子点浓度为143～146nmol/L,ZnCdSe量子点浓度为318～422nmol/L，CdTe量子点和ZnCdSe量子点混合的体积比为1～2：1～2。

作为优选方案，还包括纸托，多个所述CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底通过疏水性粘性胶布固定在纸托上。

4、一种CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1)CdTe量子点的合成

将二氯化镉和N-乙酰-L-半胱氨酸溶于纯水中混合均匀，然后依次加入亚碲酸钠、硼氢化钠，最后在的烘箱中反应后得到发荧光的CdTe量子点；

(2)ZnCdSe的量子点的合成

将ZnCl₂和N-乙酰-L-半胱氨酸溶于纯水中混合均匀，依次加入CdCl₂和NaHSe得到混合液，最后将混合液置于反应釜反应，得到发荧光的ZnCdSe量子点；

(3)CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底的制备

将CdTe量子点和ZnCdSe量子点混合后滴加在纸基材上，纸基材吸收固定CdTe量子点和ZnCdSe量子点后即得CdTe-ZnCdSe量子点纸芯片基底。

作为优选方案，所述CdTe量子点发射紫红色荧光且发射波长为630～640nm。

作为优选方案，所述ZnCdSe量子点发射淡黄绿色荧光且发射波长为480～500nm。

7、一种基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)CdTe量子点的合成

将二氯化镉和N-乙酰-L-半胱氨酸溶于纯水中混合均匀，然后依次加入亚碲酸钠、硼氢化钠，最后在的烘箱中反应后得到发荧光的CdTe量子点；

(2)ZnCdSe的量子点的合成

将ZnCl₂和N-乙酰-L-半胱氨酸溶于纯水中混合均匀，依次加入CdCl₂和NaHSe得到混合液，最后将混合液置于反应釜反应，得到发荧光的ZnCdSe量子点；

(3)CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底的制备

将CdTe量子点和ZnCdSe量子点混合后滴加在纸基材上，纸基材吸收固定CdTe量子点和ZnCdSe量子点后即得CdTe-ZnCdSe量子点纸芯片基底；

(4)四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的合成

将四-(4-吡啶基)锌卟啉溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液，得到四-(4-吡啶基)锌卟啉溶液，向十二烷基三甲基溴化铵中加入四-(4-吡啶基)锌卟啉溶液，搅拌均匀后反应停止，得到四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

(5)制作有机磷农药标准比色卡

配制不同浓度的有机磷农药和四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的混合溶液，将混合溶液依次滴加在CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底上，在紫外暗箱中观察，不同浓度有机磷农药与CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底反应产生不同的颜色，对每个CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底进行拍照，整理得到有机磷农药标准比色卡；

(6)检测试样的有机磷农药浓度

将试样和四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液混合，滴加在双量子点纸芯片基底上，双量子点纸芯片基底中对试样有颜色响应，对照有机磷农药标准比色卡得到试样中有机磷农药的浓度。

作为优选方案，步骤(1)CdTe量子点发射紫红色荧光且发射波长为630～640nm；步骤(2)ZnCdSe量子点发射淡黄绿色荧光且发射波长为480～500nm。

作为优选方案，所述CdTe量子点浓度为143～146nmol/L,ZnCdSe量子点浓度为318～422nmol/L，CdTe量子点和ZnCdSe量子点混合的体积比为1～2：1～2。

作为优选方案，所述步骤(5)中，四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的浓度为0.46～0.48μmol/L，所述有机磷农药的浓度为0～50μg/L。

本发明的优点在于：与现有有机磷类农药检测方法相比，本发明基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法具有制备简单、可快速现场检测、成本低、响应速度快、灵敏度和选择性高的特点，而且与单量子单一颜色相比，双量子点溶液混合后的荧光颜色受到猝灭剂影响后更容易在纸芯片上产生颜色区分，提高检测的灵敏度。

附图说明

图1为本发明基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法的机理示意图；

图2为本发明的四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液透射电子显微镜图；

图3为本发明的四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液与CdTe-ZnCdSe双量子点透射电子显微镜图；

图4为本发明基于双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的可行性试验图；4A为双量子点纸芯片基底颜色，4B为向双量子点纸芯片基底中加入四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液后双量子点荧光猝灭形成暗紫色图，4C为向双量子点纸芯片基底中加入四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液(0.47μM)和乐果(50μg/L)混合溶液由暗紫色变为红色；

图5为本发明制备的乐果的标准比色卡；图5A～5F依次对应0μg/L、1μg/L、5μg/L、10μg/L、20μg/L、50μg/L乐果产生的颜色；

图6为基于CdTe单量子点或ZnCdSe单量子点纸芯片检测乐果的对照图，图6A为CdTe量子点纸芯片基底的颜色变化图，图6B为ZnCdSe量子点纸芯片基底的颜色变化图；

图7为本发明双量子点-纳米卟啉荧光纸芯片传感器可视化检测有机磷农药的特异性。7A为双量子点纸芯片基底的空白对照图，图7B双量子点纸芯片基底检测乐果的颜色变化图，7C为滴加四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液(0.47μM)后荧光猝灭的对照图，图7D～7G依次为双量子点纸芯片基底检测溴氢菊酯、速灭威、杀螟丹、乙草胺的颜色变化图；

图8为本发明制备的敌敌畏的标准比色卡；图8A～8E依次对应1μg/L、5μg/L、10μg/L、20μg/L、50μg/L敌敌畏产生的颜色；

图9为本发明制备的内吸磷的标准比色卡；图9A～9E依次对应1μg/L、5μg/L、10μg/L、20μg/L、50μg/L敌敌畏产生的颜色；

图10为本发明基于PLSDA模型检测复杂基质中三种有机磷农药的训练集和预测集分析结果。10A为乐果训练集分析结果，10a为乐果预测集分析结果，10B为敌敌畏训练集分析结果，10b为敌敌畏预测集分析结果,10C为内吸磷训练集分析结果,10c为内吸磷预测集分析结果。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

为解决现有检测有机磷农药技术中存在仪器操作复杂，分析时间长的问题，本发明提供一种基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法，具体地说，本发明利用有机磷农药和四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的混合溶液能使CdTe-ZnCdSe双量子点荧光颜色发生变化的原理，制备有机磷农药的标准比色卡，通过与标准比色卡进行对照颜色判断待测有机磷农药的浓度。以下将通过具体的实施例来对本发明的基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法的优选方式进行详细地说明。

实施例1

制备CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底的方法，包括步骤：

(1)CdTe量子点的合成

将二氯化镉(0.1142g，12.5mM)和N-乙酰-L-半胱氨酸(0.0979g，15mM)溶于40mL超纯水中，在常温、常压下搅拌15分钟后用氢氧化钠溶液将溶液pH调为8.00，然后充氮气冰浴搅拌20分钟，加入亚碲酸钠(0.0216g，2.5mM)，搅拌15分钟，再加入硼氢化(0.0113g，7.5mM)，搅拌15分钟，最后将此溶液放入反应釜中，在200℃的烘箱中反应50分钟，冷却至室温，得到发射波长为635nm的紫红色的CdTe量子点。

(2)ZnCdSe的量子点的合成

将ZnCl₂(6.4mM)和N-乙酰-L-半胱氨酸(19.2mM)溶于超纯水中，在冰浴和常压的条件下搅拌反应20min,随后用氢氧化钠溶液将混合液的pH调至9.70，加入CdCl₂(0.064mM)并充氮气继续冰浴搅拌5min。然后加入NaHSe(0.64mM)，继续搅拌5min，最后将反应混合液置于反应釜中，在200℃下反应65min，则可制备得到发射波长在490nm的淡黄绿色的ZnCdSe量子点。

(3)CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底的制备

将CdTe量子点和ZnCdSe量子点以相同的体积混合后得到CdTe-ZnCdSe双量子点，用移液枪吸取10μLCdTe-ZnCdSe双量子点滴加在3个直径为5mm的圆形滤纸上，将3个圆形滤纸放置37℃烘箱烘4分钟左右至微微干，得到3个CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底，在365nm紫外暗箱中为红色，拍照并保存图片。

实施例2

基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测乐果的方法，包括步骤：

(1)CdTe量子点的合成

将二氯化镉(0.1142g，12.5mM)和N-乙酰-L-半胱氨酸(0.0979g，15mM)溶于40mL超纯水中，在常温、常压下搅拌15分钟后用氢氧化钠溶液将溶液pH调为8.00，然后充氮气冰浴搅拌20分钟，加入亚碲酸钠(0.0216g，2.5mM)，搅拌15分钟，再加入硼氢化(0.0113g，7.5mM)，搅拌15分钟，最后将此溶液放入反应釜中，在200℃的烘箱中反应50分钟，冷却至室温，得到145nM、发射波长为635nm的紫红色的CdTe量子点。

(2)ZnCdSe的量子点的合成

将ZnCl₂(6.4mM)和N-乙酰-L-半胱氨酸(19.2mM)溶于超纯水中，在冰浴和常压的条件下搅拌反应20min,随后用氢氧化钠溶液将混合液的pH调至9.70，加入CdCl₂(0.064mM)并充氮气继续冰浴搅拌5min。然后加入NaHSe(0.64mM)，继续搅拌5min，最后将反应混合液置于反应釜中，在200℃下反应65min，得到420nM、发射波长在约490nm的淡黄绿色的ZnCdSe量子点。

(3)CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底的制备

将CdTe量子点和ZnCdSe量子点以相同的体积混合后得到CdTe-ZnCdSe双量子点，用移液枪吸取10μLCdTe-ZnCdSe双量子点滴加在3个直径为5mm的圆形滤纸上，将3个圆形滤纸放置37℃烘箱烘4分钟左右至微微干，得到3个CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底，在365nm紫外暗箱中为红色，拍照并保存图片。

(4)四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的合成

将四-(4-吡啶基)锌卟啉溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，得到8.5×10^-5M的四-(4-吡啶基)锌卟啉溶液。吸取500μL四-(4-吡啶基)锌卟啉溶液于14mL的离心管中，加入9.5mL的0.1M十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)后，超声10min,随后70℃热水浴15min，得到17.85μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液，避光保存，如图2所示，四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的透射电子显微镜表征显示为粒径60～100nm的纳米棒。

(5)制作乐果标准比色卡

配制溶液一：0μg/L乐果和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液二：1μg/L乐果和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液三：5μg/L乐果和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液四：10μg/L乐果和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液五：20μg/L乐果和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液六：50μg/L乐果和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

用移液枪吸取10μL上述溶液一至六分别滴加在CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底上，紫外暗箱中观察有不同的颜色变化，在365nm紫外暗箱中拍照并保存图片，将图片导入PhotoShop软件提取图片上的彩色数值RGB，并用该数值模拟出彩色圆点得到乐果标准比色卡。结合图5所示乐果的标准比色卡，图5A～5F依次对应0μg/L、1μg/L、5μg/L、10μg/L、20μg/L、50μg/L乐果产生的颜色。

结合图1和图3所示，从图1可以看出四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液滴加在CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底上，通过荧光共振能量转移和光诱导电子转移作用使得双量子点荧光猝灭，纸上颜色由红色变为暗紫色，然而，四-(4-吡啶基)锌啉自组装形成增敏型胶束体系，通过电子吸附作用可以高效的结合有机磷农药中的富电子基团形成稳定的结构，有机磷农药分子包裹的纳米卟啉与双量子点之间的空间位置发生改变，双量子点的荧光性能得以恢复。如图4，双量子点纸芯片基底颜色如图4A为红色，向双量子点纸芯片基底中加入四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液后双量子点荧光猝灭形成暗紫色(如图4B)，向双量子点纸芯片基底中加入四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液(0.47μM)和乐果(50μg/L)混合溶液由暗紫色变为红色(如图4C)。结合图5所示，不同浓度有机磷农药与纳米卟啉混合，滴加在双量子点纸芯片基底上发生不同的颜色变化，随着有机磷农药浓度增加，纸上颜色由暗紫色变为浅紫色，再变为浅红色，最后变为红色，达到纸上可视化检测有机磷农药。

(6)检测试样的乐果浓度

将试样和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液混合，滴加在双量子点纸芯片基底上，双量子点纸芯片基底中对试样有颜色响应，对照乐果标准比色卡得到试样中乐果的浓度。

本发明之所以采用双量子点作为纸芯片基底，是因为双量子与单量子单一颜色相比，双量子点能将两种量子点的发光特性予以组合，可以产生更多的颜色区间用于更加精确地分析不同浓度的有机磷农药，提高了探针的灵敏度，双量子点溶液混合后的荧光颜色受到猝灭剂影响后更容易在纸芯片上产生颜色区分，可实现在荧光颜色上辨识不同浓度的样品，为验证双量子比单量子在荧光颜色上辨识上的优异性，进行单量子对比实验，具体过程为，制备的CdTe量子点纸芯片基底和ZnCdSe量子点纸芯片基底，分别向CdTe量子点纸芯片基底和ZnCdSe量子点纸芯片基底上滴加不同浓度的乐果(1～50μg/L)和四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液(0.47μM)的混合溶液，结果如图6，没有产生明显的颜色区分。图6A为CdTe量子点纸芯片基底的颜色变化图，图6B为ZnCdSe量子点纸芯片基底的颜色变化图。可以看出，CdTe单量子纸芯片基底或ZnCdSe单量子纸芯片基底对不同浓度的乐果(1～50μg/L)没有产生明显的颜色区分。

为了验证基于双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的特异性，进行有机磷农药的特异性选择试验，具体过程为，用移液枪吸取10μL浓度为20μg/L其他类农药(溴氢菊酯、速灭威、杀螟丹、乙草胺)与四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液(0.47μM)混合溶液在双量子点纸芯片基底上，如图7D～7G所示，没有明显的荧光恢复，依然为暗紫色，而加入10μL浓度为10μg/L乐果与四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液(0.47μM)混合溶液在双量子点纸芯片基底上，由暗紫色变为浅红色(如图7B)，用photoshop软件提取图片上的彩色数值RGB，其中7A为双量子点纸芯片基底的空白对照图，7C为滴加四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液(0.47μM)后荧光猝灭的对照图。

另外，不同浓度的复杂基质(苹果汁和白菜汁)中的乐果滴加在双量子点纸芯片基底上，依然有明显不同程度颜色区分，证明基于双量子点纸芯片基底检测有机磷农药的方法可在复杂基质中准确检测乐果，受基质的干扰小。

实施例3

基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测敌敌畏的方法，包括步骤：

(1)CdTe量子点荧光探针的合成

(2)ZnCdSe的量子点荧光探针的合成

(3)双量子点纸芯片基底的制备

(4)四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的合成

以上步骤(1)～(4)与实施例2的步骤(1)～(4)相同，在此不再赘述。

(5)制作敌敌畏标准比色卡

溶液一：1μg/L敌敌畏和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液二：5μg/L敌敌畏和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液三：10μg/L敌敌畏和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液四：20μg/L敌敌畏和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液五：50μg/L敌敌畏和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

用移液枪吸取10μL上述溶液一至六分别滴加在CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底上，紫外暗箱中观察有不同的颜色变化，在365nm紫外暗箱中拍照并保存图片，将图片导入PhotoShop软件提取图片上的彩色数值RGB，并用该数值模拟出彩色圆点得到敌敌畏标准比色卡。结合图8所示敌敌畏标准比色卡，图8A～8E依次对应1μg/L、5μg/L、10μg/L、20μg/L、50μg/L敌敌畏产生的颜色。

(6)检测试样的敌敌畏浓度

将试样和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液混合，滴加在双量子点纸芯片基底上，双量子点纸芯片基底中对试样有颜色响应，对照敌敌畏标准比色卡得到试样中敌敌畏的浓度。

实施例4

基于CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底检测内吸磷的方法，包括步骤：

(1)CdTe量子点荧光探针的合成

(2)ZnCdSe的量子点荧光探针的合成

(3)双量子点纸芯片基底的制备

(4)四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液的合成

以上步骤(1)～(4)与实施例2的步骤(1)～(4)相同，在此不再赘述。

(5)制作内吸磷标准比色卡

配制溶液一：0μg/L内吸磷和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液二：1μg/L内吸磷和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液三：5μg/L内吸磷和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液四：10μg/L内吸磷和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液五：20μg/L内吸磷和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

溶液六：50μg/L内吸磷和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液；

用移液枪吸取10μL上述溶液一至六分别滴加在CdTe-ZnCdSe双量子点纸芯片基底上，紫外暗箱中观察有不同的颜色变化，在365nm紫外暗箱中拍照并保存图片，将图片导入PhotoShop软件提取图片上的彩色数值RGB，并用该数值模拟出彩色圆点得到内吸磷标准比色卡。结合图9所示内吸磷标准比色卡，图9A～9E依次对应1μg/L、5μg/L、10μg/L、20μg/L、50μg/L敌敌畏产生的颜色。

(6)检测试样的内吸磷浓度

将试样和0.47μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装溶液混合，滴加在双量子点纸芯片基底上，双量子点纸芯片基底中对试样有颜色响应，对照内吸磷标准比色卡得到试样中内吸磷的浓度。

将不同浓度的复杂基质(苹果汁和白菜汁)中的内吸磷滴加在双量子点纸芯片基底上，依然有明显不同程度颜色区分，用PS软件提取RGB值，将在复杂基质中乐果、敌敌畏和内吸磷检测的RGB建立数据阵列，运用模式识别偏最小二乘判别分析(PLSDA)对数据建模判别分析，结果发现对于不同基质中的不同有机磷农药有良好的判别结果，如图10。

以上所述实施例仅表达了本发明的3种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。